|
fasförändringar och kylning: |
||
 |
författare: Rachel Casiday och Regina Frey |
 |
| For a printable version of this tutorial, please click here | ||
- Heat Engines
- Reverse Heat Engines (e.g.,
- faser av materia
- fast
- flytande
- Gas
- fasövergångar
- Fusion/ frysning
- förångning/ kondensation
- sublimering/ Deposition
- brytning eller bildning av intermolekylära attraktioner i fasövergångar
- förändring i entalpi (ΔH) av fasövergångar
- kylcykel
relaterade handledning
- band , obligationer och dopning: hur fungerar lysdioder?,
- Gas lagar rädda liv: kemi bakom krockkuddar
Inledning: värmemotorer och kylning
kylning har gjort det möjligt för stora framsteg i vår förmåga att lagra mat och andra ämnen på ett säkert sätt under långa perioder. Samma teknik som används för att köra kylskåp används också i luftkonditioneringsapparater. Hur fungerar denna teknik för att producera kall luft när de yttre förhållandena är heta?, Som vi ska se är kylskåp (och luftkonditioneringsapparater) beroende av den termodynamiska applikationen som kallas värmemotorn, liksom de molekylära egenskaperna hos ämnet i kylskåpets spolar.
en av de viktigaste praktiska tillämpningarna av termodynamikens principer är värmemotorn (Figur 1). I värmemotorn absorberas värme från en ”arbetsämne” vid hög temperatur och omvandlas delvis till arbete. Värmemotorer är aldrig 100% effektiva, eftersom den återstående värmen (dvs, är värmen inte omvandlas till arbete) släpps ut i omgivningen, som är vid en lägre temperatur. Ångmotorerna som används för att driva tidiga tåg och elektriska generatorer är värmemotorer där vatten är arbetsämnet. I en omvänd värmemotor (Figur 2) uppstår motsatt effekt. Arbetet omvandlas till värme, som frigörs.
Figur 1
i en värmemotor orsakar en värmeinmatning en ökning av arbetsämnets temperatur, vilket gör att arbetsämnet kan utföra arbete., I detta schematiska diagram är arbetsämnet vatten. Vid hög temperatur trycker gasformigt vatten (ånga) en kolv, vilket gör att ett hjul vrids. Detta är den grundläggande mekanism genom vilken ångdrivna tåg fungerar.
Figur 2
i en omvänd värmemotor omvandlas en arbetsingång till en värmeeffekt. I detta fall kondenserar arbetet (genererat av el) gasformigt vatten (ånga) och skjuter det i en värmeväxlingsspole., I spolen sänker vattnets temperatur när den smälter och släpper ut värme till miljön.
i 1851, Florida läkare John Gorrie beviljades det första amerikanska patentet för en kylmaskin, som använder en omvänd värmemotor (Figur 2) som det första steget i sin verksamhet. Gorrie, övertygad om att botemedlet för malaria var kallt eftersom utbrott avslutades på vintern, försökte utveckla en maskin som kunde göra is och kyla en patients rum i den varma Florida sommaren. I Dr., Gorries kylskåp, luften komprimerades med en pump, vilket orsakade luftens temperatur att öka (utbyte av arbete för värme). Kör denna tryckluft genom rör i ett kallt vattenbad släppte värmen i vattnet. Luften fick sedan expandera igen till atmosfärstryck, men eftersom det hade förlorat värme till vattnet, temperaturen i luften var lägre än tidigare och kunde användas för att kyla rummet.
moderna kylskåp arbetar med samma omvänd värmemotorprincip för omvandling av arbete till värme, men använder andra ämnen än luft., Arbetsämnet i ett modernt kylskåp kallas kylvätskan; kylvätskan ändras från gas till vätska när den går från högre till lägre temperatur. Denna förändring från gas till vätska är en fasövergång, och den energi som frigörs vid denna övergång är huvudsakligen beroende av ämnets intermolekylära interaktioner.För att förstå kylcykeln som används i moderna kylskåp är det därför nödvändigt att först diskutera fasövergångar.
faser och fasövergångar
Materia förekommer huvudsakligen i tre olika faser (fysiska tillstånd): fast, flytande och gas., En fas är en form av materia som är likformig i kemisk sammansättning och fysikaliska egenskaper. Som visas i Figur 3 har ett ämne i den fasta fasen en bestämd form och volym; ett ämne i vätskefasen har ingen bestämd form, men har en bestämd volym; ett ämne i gasfasen har ingen bestämd form eller volym, men har en form och volym bestämd av behållarens form och storlek.,
Figur 3
det här schematiska diagrammet visar skillnaderna i fysikaliska egenskaper och partikelarrangemang mellan ett ämne i faserna fast, flytande och gas. I ett fast ämne packas partiklarna i en styv konfiguration, vilket ger substansen en bestämd form och storlek. I en vätska är partiklarna nära varandra men kan röra sig i förhållande till varandra, vilket ger ämnet en bestämd volym men en flytande form., I en gas kan partiklarna uppta hela behållarens volym, så att deras form och volym båda definieras av behållaren.
Molekylär (mikroskopisk) vy
en av de största skillnaderna i de tre faserna som illustreras i Figur 3 är antalet intermolekylära interaktioner som de innehåller. Partiklarna i en fast samverkar med alla sina närmaste grannar, partiklarna i en vätska interagerar med endast några av de närliggande partiklarna och partiklarna i en gas har nästan ingen interaktion med varandra., Genom att bryta eller bilda intermolekylära interaktioner kan ett ämne förändras från en fas till en annan. Till exempel kondenserar gasmolekyler för att bilda vätskor på grund av närvaron av attraktiva intermolekylära krafter. Ju starkare de attraktiva krafterna desto större är vätskans stabilitet (vilket leder till en högre kokpunktstemperatur). En förändring i materiens fysiska tillstånd kallas en fasövergång. Namnen på fasövergångarna mellan fast, flytande och gas visas i Figur 4.,
fasövergångar liknar kemiska reaktioner eftersom de var och en har en associerad entalpiförändring. Medan en kemisk reaktion innefattar brytning och formning av bindningar inom molekyler, involverar fasövergångar brytning eller formning av intermolekylära attraktiva krafter. Fasövergångar som involverar brytning av intermolekylära attraktioner (såsom fusion, förångning och sublimering) kräver en energiinsats för att övervinna de attraktiva krafterna mellan substansens partiklar., Fasövergångar som involverar bildandet av intermolekylära attraktioner (såsom frysning, kondens och deponering) frigör energi när partiklarna antar en lägre energikonformation. Styrkan hos de intermolekylära attraktionerna mellan molekyler, och därför beror mängden energi som krävs för att övervinna dessa attraktiva krafter (liksom mängden energi som frigörs när attraktionerna bildas) på ämnets molekylära egenskaper. Generellt är ju mer polär en molekyl desto starkare är de attraktiva krafterna mellan molekyler., Därför kräver mer polära molekyler vanligtvis mer energi för att övervinna de intermolekylära attraktionerna och frigöra mer energi genom att bilda intermolekylära attraktioner.,0; enthalpy decreases
(exothermic process)
(gas to liquid)
(exothermic process)
(gas to solid)
(exothermic process)
Figure 4
This diagram shows the names of the phase transitions between solids, liquids, and gases., Pilen till höger om diagrammet visar att dessa tre faser har olika entalpier: gas har den högsta entalpi, vätska har en mellanliggande entalpi och fast har den lägsta entalpi.
Tabell 1
denna tabell visar tecken på entalpiändringen för var och en av de fasövergångar som beskrivs ovan. Minns att endotermiska processer har en positiv entalpiförändring, och exoterma processer har en negativ entalpiförändring.,
termodynamisk (makroskopisk) vy
förutom den mikroskopiska vy som presenteras ovan kan vi beskriva fasövergångar när det gäller makroskopiska, termodynamiska egenskaper. Det är viktigt att komma ihåg att de mikroskopiska och makroskopiska vyerna är beroende av varandra; dvs de termodynamiska egenskaperna, såsom entalpi och temperatur, av ett ämne är beroende av ämnets molekylära beteende.
fasövergångar åtföljs av förändringar i entalpi och entropi., I den här handledningen kommer vi att ägna oss främst åt förändringar i entalpy. Den energiförändring som är inblandad i att bryta eller bilda intermolekylära attraktioner levereras huvudsakligen eller frigörs i form av värme. Att lägga till värme orsakar intermolekylära attraktioner att brytas. Hur sker detta? Värme är en överföring av energi till molekyler, vilket gör att molekylerna ökar sin rörelse som beskrivs av den kinetiska teorin om gaser och därigenom försvagar de intermolekylära krafterna som håller molekylerna på plats., På samma sätt, när molekyler förlorar värme, förstärks intermolekylära attraktioner; när värmen går förlorad rör sig molekylerna långsammare och kan därför interagera mer med andra närliggande molekyler.
eftersom fasförändringar i allmänhet uppträder vid konstant tryck (dvs. i ett reaktionskärl öppet för atmosfären) kan värmen beskrivas genom en förändring i entalpi (ΔH=qp). För fasövergångar som involverar brytning av intermolekylära attraktioner tillsätts värme och ΔH är positiv, systemet går från en lägre entalpifas till en högre entalpifas (en endotermisk process)., Därför är fusion, förångning och sublimering alla endotermiska fasövergångar. För fasövergångar som involverar bildandet av intermolekylära attraktioner frigörs värme och ΔH är negativ, eftersom systemet går från en högre entalpifas till en lägre entalpifas (en exoterm process). Därför är frysning, kondens och deponering alla exoterma fasövergångar. Entalpiförändringen för var och en av fasövergångsprocesserna i Figur 4 visas i Tabell 1 ovan.,
entalpiförändringen av fasövergångar kan också användas för att förklara skillnader i smältpunkter och kokpunkter för ämnen. Vid ett givet tryck har ett ämne ett karakteristiskt temperaturområde vid vilket det genomgår fasövergångar; till exempel är smältpunkten den temperatur vid vilken ett ämne ändras från fast fas till flytande fas och kokpunkten är den temperatur vid vilken ett ämne ändras från flytande fas till gasformig fas., I allmänhet, ju större entalpi förändring för en fasövergång, desto högre temperatur vid vilken ämnet genomgår fasövergången. Till exempel kräver vätskor med starka intermolekylära attraktioner mer värme för att förångas än vätskor med svaga intermolekylära attraktioner; därför kommer kokpunkten (förångningspunkten) för dessa vätskor att vara högre än för vätskorna med svagare intermolekylära attraktioner.
kylning
nu ska vi använda vår förståelse av värmemotorer och fasövergångar för att förklara hur kylskåp fungerar., Entalpiförändringarna i samband med fasövergångar kan användas av en värmemotor (Figur 1) för att utföra arbete och överföra värme mellan ämnet som genomgår en fasövergång och dess omgivande miljö. I en värmemotor absorberar en ”arbetsämne” värme vid hög temperatur och omvandlar en del av denna värme till arbete. I en sekundär process släpps resten av värmen till omgivningen vid en lägre temperatur, eftersom värmemotorn inte är 100% effektiv.
som visas i Figur 2 kan ett kylskåp ses som en värmemotor bakåt., Kylningseffekten i kylskåp uppnås genom en kondens-och förångningscykel av kylvätskan, som vanligtvis är den icke-toxiska föreningen CCl2F2 (Freon-12). Ett kylskåp innehåller en elektriskt drivna kompressor som fungerar på Freon gas. Spolar utanför kylskåpet tillåter Freon att frigöra värme när det kondenserar, och spolar inuti kylskåpet tillåter Freon att absorbera värme när det förångas. Figur 5 visar fasövergångarna av Freon och deras tillhörande värmeväxlingshändelser som inträffar under kylcykeln.,
 |
|
 |
klicka på den rosa knappen för att visa en QuickTime-film som visar en animering av kylcykeln. |
|
|
den ovan beskrivna cykeln körs inte kontinuerligt, utan styrs snarare av en termostat., När temperaturen inuti kylskåpet stiger över den inställda temperaturen startar termostaten kompressorn. När kylskåpet har svalnat under den inställda temperaturen stängs kompressorn av. Denna kontrollmekanism gör det möjligt för kylskåpet att spara el genom att endast köra så mycket som är nödvändigt för att hålla kylskåpet vid önskad temperatur.
sammanfattning
kylskåp är i huvudsak värmemotorer som arbetar i omvänd ordning. Medan en värmemotor omvandlar värme till arbete, omvänd värme motorer konvertera arbete till värme., I kylskåpet överförs värmen som genereras till utsidan av kylskåpet. För att kyla kylskåpet krävs en” fungerande substans” eller ”kylmedel”, såsom Freon. Kylskåpet fungerar genom att använda en kompressionscykel och expansion på freonen. Arbetet utförs på freonen av en kompressor, och freonen släpper ut värme till luften utanför kylskåpet (eftersom det genomgår exoterm kondensation från en gas till en vätska)., För att regenerera den gasformiga freonen för kompression passerar freonen genom en inre spole, där den genomgår endotermisk förångning från vätskefasen till gasfasen. Denna endotermiska process gör att freonen absorberar värme från luften inuti kylskåpet och kyler kylskåpet.
ytterligare länkar:
- för mer förklaring om hur kylskåp fungerar, se den här webbplatsen från ”hur saker fungerar” av Marshall Brian.
brun, Lemay och Bursten. Kemi: Central Science, 7: e ed., s. 395-98.
Petrucci och Harwood., Allmän Kemi, 7th ed., S. 435, 699-701, 714-15.
bekräftelser:
författarna tackar Dewey Holten, Michelle Gilbertson, Jody Proctor och Carolyn Herman för många användbara förslag i skrivandet av denna handledning.
till utveckling av denna handledning har finansierats genom stöd från Howard Hughes Medical Institute, genom Grundutbildning Biologiska Vetenskaper Utbildning, Bidrag HHMI# 71199-502008 till Washington University.